本文将精确计算出单个光量子(光子)的质量。 现今任何一项科学成就的取得,都是因为站在了巨人的肩膀上。 牛顿、法拉第、普朗克,都是科学上的巨人。 向他们致敬。 先介绍关于光的一些基础知识。 万物生长靠太阳。太阳是巨大的火球,它每时每刻都向外散发着光线。地球从太阳那里得到了光线,等于得到了能量和光明。有了能量,万物生长;地球上的水也形成了循环,得以瀑布飞下、江河长流。有了光明,地球上的生物可以开心地看清这个美丽的世界。电灯和蜡烛等也可以发出明亮的光线。 那么光是一种什么的物质呢? 经过人类的不断探索,终于弄清了关于光的许多知识。 光是一种非常非常小的粒子,同时具有波动性。所以,光具有波粒二象性,光是粒子,也是波。 光的粒子性可以通过折射、反射现象表现出来。通过光的衍射和双缝干涉实验可以证明光是一种波。 1901年,德国物理学家普朗克(Plank)找出了与实验相符的在热平衡下的绝对黑体辐射谱的能量分布规律。这个规律的基础是假定物质发出光和吸收光具有不连续的特性,并且假定光为一个一个有限部分——光量子——发出或吸收。这种光量子的能量E是和光的振动频率f成正比的,并且可用下列等式表示: E=h·f (h=6.62607015×10^-34J·S , h等于6.62607015乘以10的负34次方焦耳秒) 现在,普朗克的假设已被众多的科学实验所证实。 光是由一份一份的光量子组成的,光量子简称光子。 关于光的速度,经过历代科学家的努力,测出了光在真空中的速度是299792458 米/秒。 太阳光在三棱镜的折射下会分散成七种颜色:红橙黄绿青蓝紫。这七种颜色的光的波长是不同的。太阳也会发出红外线和紫外线,红外线的波长大于760nm(纳米),紫外线的波长小于400nm。 下面把可见光的波长列举出来。 红光 波长 622nm——760nm 橙光 波长597nm——622nm 黄光 波长577nm——597nme 绿光 波长492nm——577nm 青光 波长450nm——492nm 蓝光 波长435nm——450nm 紫光 波长400nm——435nm 1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线。X射线是一种电磁波,波长范围在0.001nm到10nm。医学上应用的X射线波长约在0.001nm到0.1nm之间, 它的穿透性很强,它的光子能量比可见光的光子能量大几万到几十万倍。 比X射线波长更短的是伽玛射线,伽玛射线出现于宇宙学尺度上的恒星级天体中的爆发过程中。伽玛射线是一种电磁波,它的波长在0.0001nm 到0.001nm之间。 比红外线的波长更长的是无线电波,无线电波的波长在0.1mm(毫米)到3000m(米)之间。其中波长在0.1 mm到1m之间的电磁波又称为微波。 我认为太阳光、X射线、伽玛射线、无线电波、可见光线都是同一种光,这些光线中的光子在质量、形状、体积、速度上完全相同。这几种光线的区别是:它们的波长和频率不同。 接着探讨光的能量和波长、频率、速度的关系。 紫外线是阳光中波长为400nm到10nm的光线。 下面是我从百度百科中"紫外线"一项中查到的(真空中)不同波长的紫外线的能量。 长波紫外线 波长: 400 nm~315 nm 能量: 3.10 eV~3.94 eV 近紫外线 波长: 400 nm~300 nm 能量: 3.10 eV~4.13 eV 中波紫外线 波长: 315 nm~280 nm 能量: 3.94 eV~4.43 eV 中紫外线 波长: 300 nm~200 nm 能量: 4.13 eV~6.20 eV 短波紫外线 波长: 280 nm~100 nm 能量: 4.43 eV~12.4 eV 远紫外线 波长: 200 nm~122 nm 能量: 6.20 eV~10.2 eV 真空紫外线 波长: 200 nm~100 nm 能量: 6.20 eV~12.4 eV 浅紫外线 波长: 100 nm~88 nm 能量: 12.4 eV~14.1 eV 超紫外线 波长: 150 nm~10 nm 能量: 8.28 eV~124 eV 极紫外线 波长: 121 nm~10 nm 能量: 10.3 eV~124 eV eV是电子伏特,是能量单位,是一个电子经过一伏特的电位差加速后获得的动能。 1eV=1.6021766208 J (焦耳) 光的波长越短,能量越大;波长越长,能量越小。 从上表中可以得知: 波长是10nm的紫外线(紫外线a)的光子的能量是124eV,即198.6699×10^-19J (198.6699乘以10的负19次方焦耳)。 波长是100nm的紫外线(紫外线b)的光子的能量是12.4eV,即19.86699×10^-19J (19.86699乘以10的负19次方焦耳)。 波长是150nm的紫外线(紫外线c)的光子的能量是8.28eV,即13.266×10^-19J (13.266乘以10的负19次方焦耳)。 波长是280nm的紫外线(紫外线d)的光子的能量是4.43eV,即7.0976×10^-19J (7.0976乘以10的负19次方焦耳)。 光的速度是一定的,每秒钟299792458米。速度除以波长等于频率。 E= h·f , 能量等于普朗克常数乘以频率。能量与频率成正比。 从上文的数据中可知,紫外线a的波长是紫外线b波长的十分之一,所以紫外线a的频率是紫外线b的频率的十倍,(相等的时间内)紫外线a的能量也是紫外线b能量的十倍。 紫外线a的波长是紫外线c波长的十五分之一,所以紫外线a的频率是紫外线c的频率的十五倍。(198.6699÷13.266=14.97587≈15) 紫外线a的能量是紫外线c能量的15倍。 紫外线d的波长是紫外线c波长的1.86666倍,所以紫外线c的频率是紫外线d的1.86666倍。 13.266÷7.0976=1.869≈1.86666 所以紫外线c的能量是紫外线d能量的1.86666倍。 接下来,重点来了。开始计算单独的一个光子的质量。 普朗克能量公式E= h·f (h是普朗克常数,f是频率) 爱因斯坦也发明了一个能量公式E=m×c^2(能量等于质量乘以光速的平方)。我不知道爱因斯坦是如何证明这个公式的正确性的,我只知道动能定理是E=1/2 · m·v^2 (能量等于二分之一乘以质量乘以速度的平方),我知道这个关于能量、质量、速度关系的公式是全世界公认正确的,所以反证爱因斯坦的公式是错误的。 根据能量公式E= h·f (h是普朗克常数,f是频率),动能定理E=1/2 · m·v^2 (能量等于二分之一乘以质量乘以速度的平方,m表示光子的质量),知道了光的能量、频率、速度,就可以求出光的质量。 下面来计算一下。 波长是10nm的紫外线(紫外线a)的光子的能量是124eV,即198.6699×10^-19J 。 光的速度是299792458米/秒。 198.6699×10^-19J=1/2 ×m× (299792458m/s)^2 (198.6699×10^-19焦耳等于二分之一乘以m,乘以299792458米/秒的平方 ) 波长是100nm的紫外线(紫外线b)的光子的能量是12.4eV,即19.86699×10^-19J (19.86699乘以10的负19次方焦耳)。 光的速度是299792458米/秒 19.86699×10^-19J=1/2 ×m× (299792458m/s)^2 (19.86699×10^-19焦耳等于二分之一乘以m,乘以299792458米/秒的平方 ) 矛盾出现了。以上两个式子都是二分之一乘以光子的质量再乘以299792458米/秒的平方,得到的能量结果是不同的,这样计算出来的光子的质量也是不同的。 为什么当我们用动能定理计算光子质量的时候会出现矛盾呢? 因为虽然光子的速度都是相同的,每秒钟299792458米,但是波长不同的光线一秒钟在29972458米的距离内传播的光子数目是不同的,光线一秒钟在299792458米距离内传播的光子数目与光的频率在数量上相等。 如波长是550纳米的绿色光的频率是5.4507719×10^14Hz (5.4507719乘以10的14次方赫兹)。则波长550纳米的绿色光一秒钟在299792458米距离内传播的光子数目是5.4507719×10^14(5.4507719乘以10的14次方)个。 波长是10纳米的紫外线a的频率是2.99792458乘以10的16次方赫兹,它一秒钟在299792458米的距离内传播的光子数目就是2.99792458乘以10的16次方个。 波长是280纳米的紫外线d的频率是1.07068735乘以10的15次方,那么它一秒钟在299792458米距离内传播的光子数目就是1.07068735乘以10的15次方个。 所以在用动能定理计算光的能量的时候,二分之一乘以m,乘以299792458米/秒的平方,得到的是一个光子的动能,这时候再乘以光子的数目就得到了光子的总动能。 所以新的公式出来了: 光线在一秒钟内的的总动能等于光线的频率乘以一秒,再乘以单个光量子的能量。 单个光量子的能量可以用动能定理求出来,即等于单个光子的质量与光的速度的平方的乘积的一半。 公式: E=f·T·1/2 ·m·v^2 (T=1秒)(E表示能量,f表示频率,时间T=1秒,m表示单个光子的质量,v表示光的速度) 求光子的质量: 由 E=f·T·1/2 ·m·v^2 (T=1秒) 得 E/f=T·1/2 ·m·v^2 (T=1秒)① 普朗克公式 E=h·f,所以E/f=h ②(能量除以频率等于普朗克常数) 由① 、② 得 h=T·1/2 ·m·v^2 (T=1秒) (h=6.62607015×10^-34J·S ,v在这里等于光速299792458米/秒) 将数据代入公式, 6.62607015×10^-34焦耳·秒 = 1秒 × 1/2 × m × (299792458米/秒)^2 6.62607015×10^-34焦耳= 1/2 × m × (299792458米/秒)^2 m表示单个光子质量,所以单个光子在1秒内产生的动能6.62607015×10^-34焦耳。 6.62607015×10^-34焦耳 = 1/2 × m × 8.9875517873681764 × 10^16 米^2/秒^2 13.2521403 × 10^-34焦耳 = m × 8.9875517873681764 × 10^16 米^2/秒^2 m=1.47449946 × 10^-50 千克 ( m等于1.47449946 乘以10的负50次方千克) 到此,终于计算出了单个光子的质量是 1.47449946 乘以10的负50次方千克 。 总结: 1.真空中的波长已知的一道光线在一秒的时间内传播的距离是299792458米,在299792458的距离内传播的光子数目与光的频率在数量上相等。 每一个光量子的质量都是相等的,单个光量子的质量m=1.47449946 × 10^-50kg (1.47449946 乘以10的负50次方千克) 。 2.单个光子在1秒内产生的动能是6.62607015×10^-34焦耳。 光线在一秒钟内的的总动能等于光线的频率乘以一秒,再乘以单个光子的动能。 公式: E=f·T·1/2 ·m·v^2